מה הם photovoltaics אורגני?

פוטו-וולטאיקים אורגניים (OPVs) מייצגים מעמד של טכנולוגיית תאים סולארית המנצלת פולימרים למחצה מבוססי פחמן ומולקולות קטנות כדי להמיר אור לאנרגיה חשמלית.בניגוד ללוחות סולאריים לא אורגניים התלויים בגלי סיליקון קשיחים, OPVs משתמשים בסרטים דקים של מוליכים למחצה אורגניים שהופקדו על תת-שכבות גמישות כגון פלסטיק, נייר או מפלסטיק.

העיקרון התפעולי הבסיסי מתחיל כאשר פוטון נספג על ידי המוליכים למחצה האורגני, מרגש אלקטרון מן המסלול המולקולרי הגבוה ביותר הכבוש אל מסלול מולקולרי הנמוך ביותר שאינו עסוק, יצירת יציאת הגבול הדוקה.זה exciton diffuses לממשק התורם-קבלן, שבו העברה המטען מתרחשת, יצירת מטען חופשי שנאסף לאחר מכן באלקטרודות.

השדה של photovoltaics אורגני התקדם באופן משמעותי מאז ההפגנה הראשונה של מכשיר bilayer OPV על ידי Ching Tang ב Eastman Kodak בשנת 1986, אשר השיג בערך 1% יעילות ההמרה כוח כיום, תאים OPV בקנה מידה מעבדה על 19% יעילות, ומחקר ממשיך לדחוף מעל 20%, מתקרב ליישומים מסחריים.

כיצד PVs Differ מ- Silicon Solar Cells

פוטו-וולטאיקים הסיליקון שלטו בתעשיית השמש במשך עשרות שנים, תוך הסתמכות על יותר מ-95% מהמודולים המותקנים ברחבי העולם.תאים קריסטל סיליקון להשיג יעילות מעל 26% בהגדרות מעבדה ושמירה על תוחלת החיים התפעולית של 25 עד 30 שנים עם השפלה מינימלית.

תאים הסיליקון דורשים עיבוד עתיר, ציפוי ואקום, תנאי ניקוי, עלויות הון נהיגה למעלה. OPVs ניתן להמציא באמצעות הדפסה רול-טו-roll, ציפוי חריץ-די, או ריסוס מחיקה בתנאים מקובצים, באופן דרמטי להפחית את זמן ההחזר האנרגיה ואת המורכבות הייצור.

הבדל בסיסי נוסף הוא ספיגה קלה.סיליקון הוא מוליכים למחצה עקיפה, כלומר זה דורש שכבות עבות יחסית #8212;hundreds של micrometers & #8212; לספוג מספיק אור השמש. מוליכים למחצה אורגניים יש להקות ישירות עם קידוד גבוה סיליקון, המאפשר שכבות פעיל רק 100 עד 300 ננומטרים עבה כדי ללכוד את רוב photons זה הבדל בקליטה הוא יכול לשמש הגדרות אחד יכול להיות מסוגל לשרת חלונות סטרייקט.

יתרונות מרכזיים של photovoltaics

היתרונות של OPVs להרחיב על פני ייצור, פריסה, ותרחישים שימוש קצה.כל תועלת נובעת מהנכסים הפיזיים והכימיקליים הייחודיים של מוליכים למחצה אורגניים ושיטות העיבוד שהם מאפשרים.

גמישות מכנית וגורם טפסים

מוליכים למחצה אורגניים ניתן להפקיד על תת-קרקעיים פלסטיק כגון פוליאתילן terephthalate או פוליאתילן נומט, לייצר תאים סולאריים שניתן להיות כפופים, התגלגלו או עטוף סביב משטחים מעוקלים. גמישות זו מאפשרת OPVs להשתלב לתוך חומרי בניין, לוחות גוף ניידים, ואלקטרוניקה בדרכים כי לוחות סיליקון קשיחים לא יכולים להתאים את החוקרים OPV, נייר, ואפילו יישומים חכמים, בצורת, אפילו, בצורתם, בצורתם, כולל, בצורתם, בצורתם, סוללות.

משקל אור

מכיוון שהשכבות האורגניות הפעילים הן פחות ממיקרומטר עבה וגמישות הן הרבה יותר קלות מזכוכית, מודולי OPV יכולים לשקול כמה מאות גרם למ"ר.משקל נמוך זה קריטי עבור יישומים כגון מל"טים, כלי רכב חשמליים וציוד צבאי נייד, שבו כל קילוגרם של תשלום מקטין טווח או סיבולת.

ייצור נמוך

היכולת לעבד מוליכים למחצה אורגניים מפתרון מאפשרת הדפסה מהירה של ציוד רול-to-roll, אנלוגיה לאופן שבו עיתונים ואריזות מיוצרים.אין צורך בצעדים של ואקום, וההפצה של האנרגיה לייצור נמוך משמעותית מאשר עבור סיליקון.ניתוחים טכנולוגיים אחרונים, כי עלויות מודול OPV יכולות ליפול מתחת ל- 50 דולר ל-וואט פעם להגיע לרמה של ג'יגהוואט, בהשוואה ל-0 עד 30 דולר ל- 30 דולר ל-pV% ל-pVercetline, גם עבור גורמי אבטחה, כמו כן, כמו כן, כמו גם עבור עלויות נמוכות יותר, כמו כן, לעומת זאת, כמו כן, עבור עלויות ההתקנה של סיליקון, כמו כן, כמו כן, עבור רמות ההתקנה של סיליקון, כמו גם עבור רמות נמוכות יותר.

תכונות אופטיות בלתי ניתנות ל- Optoelectronic Properties

כימאים אורגניים יכולים לשנות את המבנה המולקולרי של התורם ואת החומרים המקבלים כדי לשנות את ספיגת ספיגה, להתאים את רמות האנרגיה ולשפר את התחבורה. זה טונה מאפשר OPVs להיות מיועד לתנאי תאורה ספציפיים, כגון אור מקורה או דיפרנצי, שבו הם יכולים סיליקון פורפורמציה. לדוגמה, OPVs אופטימיזציה עבור תאורה פנימית הוכיחו יעילות מעל 26% תחת תאורה LED, מה שהופך אותם כוח אטרקטיבי של מבנים באינטרנט חכם.

התאמה אישית וצבע

על ידי שליטה על עובי והרכב של השכבה הפעילה, ניתן לעשות OPVs סמי ⁇ עם גוונים צבע נייטרלי או מותאם. הנכס הזה הוא בעל ערך במיוחד עבור photovoltaics, שבו שיקולים אסתטיים לעתים קרובות לקבוע אימוץ.אדריכלים יכולים לשלב ⁇ למחצה OPVs לחלונות, אורכי שמים, וקירות וילונות, ייצור חשמל תוך שמירה על אור יום טבעי ונוחות חזותית.

מגבלות נוכחיות ואתגרים טכניים

למרות היתרונות האלה, OPVs להתמודד עם מכשולים משמעותיים שיש להתגבר עליהם לפני המסחר הנרחב יכול להתרחש.שלוש האתגרים הדוחקים ביותר הם יעילות ההמרה כוח, יציבות תפעולית, והיקף.

המונחים: Efficiency Constraints

היעילות הגבוהה ביותר של המרת חשמל עבור צומת יחיד OPVs תחת תאורה AM1.5G סטנדרטית הם בערך 19 עד 20%, בהשוואה ל 26% עבור סיליקון גבישי ו 47% עבור תאים multijunction concentrator.מודלים תיאורטיים מציעים כי חד צומת יחיד OPVs יש יעילות מקסימלית של סביב 25 עד 27% בשל תאי Shockley-Queis, אשר יכולים לספוג תאים מרובים או מחסנים אחרים, אבל יש מגבלות מרובות.

פער היעילות ביחס לסיליקון צר, אבל מודולי OPV בייצור מסחרי בדרך כלל להשיג רק 10 עד 15%, עם הפסדים משמעותיים המתרחשים במהלך הסקאלה של תאים מעבדה קטנים למודולים גדולים.שיפור אחידות של סרטים דקים על פני אזורים גדולים וצמצום אובדן הסדרה נשאר תחום פעיל של מחקר.

יציבות ותוחלת החיים

חומרים אורגניים רגישים מטבעם להשפלה מחמצן, לחות, קרינה אולטרה סגולה, ולחץ תרמי. Unencapsulated OPVs יכול לאבד ביצועים בתוך שעות של חשיפה לתנאי הסביבה.עם קיבולת נאותה באמצעות סרטי מחסום לחסום חמצן ו- Vapor מים, מודולים OPV מסחריים הוכיחו תקופות חיים של 5 עד 10 שנים, אשר הוא מספיק עבור כמה יישומים אבל קצר של 25 שנים בסיליקון סטנדרטי.

מנגנוני ההשפלה מורכבים ומחוברים.החמצן שובר את עמוד השדרה הפולימרים, בעוד שינויים מורפולוגיים בצומת הרוב מפחיתים את יעילות ההפרדה של המטען. תגובות בין השכבה הפעילה לבין חומרי האלקטרודה יכולים ליצור שכבות מחסום אשר מעכבים מיצוי המטען.חוקרים מפתחים מבנים מולקולריים יציבים, אסטרטגיות של לכידת מכשירים, ואדריכלות מכשירים כדי להרחיב את תוחלת החיים התפעולית מעבר ל-15 שנים: FLTre Activeer:

סקלאלה וייצור קונסיסטנסיות

גודל תאים מעבדה ספינ-קוד, לעתים קרובות רק כמה מ"מ רבועים באזור, כדי רול-to-roll המיוצר מודולים פורש מ"ר מרובע מציג אתגרים הנדסיים משמעותיים.תחזוקה של אחידות סרט, שליטה על מורפיולוגיות במהלך פיזור מהיר, ולהבטיח ביצועים חשמליים מתקדמים על פני אזורים גדולים דורש שליטה מדויקת של תהליכים.

אספקה חומרית וקיימות

חומרים בעלי ביצועים גבוהים רבים OPV להסתמך על אלמנטים נדירים או רעילים, למרות פחות מאשר כמה טכנולוגיות פילים דק כגון גולגולת קדמיום. Indium tin oxide, חומר אלקטרודה שקוף סטנדרטי, מכיל נתרן, שהוא נדיר יחסית וכפוף לתנודתיות מחירים החוקרים מפתחים חלופות כגון nanowires, פחמן ננופס, ופולימרים כדי להחליף את ה-cooxide של פחמן, בנוסף, כמו גם את הסיכון לסביבה, אך לא ידוע, אך לא ידוע על ידי זיהום חיים, אך לא ידוע עם זאת, אך ורק עם זאת, כמו nanowires.

מחקר: Frontiers Drive Progress

קהילת המחקר של OPV ממשיכה לדחוף גבולות על פני חזיתות מרובות, מכימיה לחומרים ועד לפיזיקה למכשירים ועד למדע הייצור.

קבלנים שאינם מלאים

הפיתוח של מקבלי לא-יעילן היה ההתקדמות הטרנספורמציה ביותר במחקר OPV במהלך העשור האחרון.בניגוד מקבלים מבוססי מלארן, אשר יש ספיגה מוגבלת בספקטרום הנראה ויציבות מורפולוגית ירודה, מקבלים לא-פעילניים כגון Y6 ו נגזרות שלה מציעים ספיגת אנרגיה חזקה, רמות אנרגיה טונהפוליות גבוהות יותר, ותכונות אריזה גבוהות יותר.

אדריכלות: Tandem and Multijunction

Tandem OPVs ערימה של שני תאים או יותר עם ספירת ספיגה משלימה כדי להפחית את ההפסדים התרממות להגדיל את המתח הכולל. A טיפוסי עיצוב טנדם תא חזית פס רחב (בכחול וירוק אור) עם תא אחורי צר פסאגפ (בהנחה של תאים אדומים וקרובים).

טכנולוגיה של חתירה וטכנולוגיית מחסום

(החלופה של OPV דורשת capsulation המונעת תוקפנות של חמצן ומים vapor. כוס מסורתית capsulation מספק תכונות מחסום מעולה, אך שולל את היתרון הגמישות של OPVs. סרטי מחסום גמישים באמצעות החלפת שכבות של תחמוצת חמצון אורגני ופולימרים אורגניים יכולים להשיג שיעורי שידור מים מתחת 10Freas:0-4LTFreas 1 / mlica יעילה במיוחד כדי להפחית את עלויות הגנה מכנית / אטומית 2 / אטומית.

טכניקות ייצור גדולות

המעבר ממעבדה ספינ-קוע לקביעת בקנה מידה תעשייתי דורש שיטות חזקות, גבוהות דרךput. ציפוי Slot-die הוא כיום הטכניקה המלומדת ביותר עבור ייצור OPV כי הוא מציע שליטה עובי טוב, ניצול חומרים גבוה, והתאמה עם עיבוד רול-to-roll. Gravure הדפסה, הדפסה דיוג'ט, וציפוי ריסוס הם גם נחקר, כל המציעה פתרונות מסחר שונים בין מהירות, אופטימיזציה של תהליכי זיהוי יעיל של תהליכי למידה.

Machine Learning and High- Throughput Screening

המרחב הכימי של המוליכים למחצה האורגניים הוא עצום, עם מיליוני מבנים מולקולריים פוטנציאליים.מודלים למידה מכונה מאומן על נתונים ניסיוניים וסימולציה יכול לחזות במהירות נכסים כגון רמות אנרגיה, ספיגת ספקטרום, וניידות מטען, המנחה מאמצים ניסיוניים כלפי המועמדים המבטיחים ביותר. סינתזה אוטומטית ופלטפורמות הדמיה נדרשים לאפשר בדיקות אופטימיזציה גבוהה באמצעות חישוב, ובכך מאיצה באופן דרמטי את גילוי חומרים חדשים ומקובלים על ידי אוניברסיטאות סגורות כגון מרכזי של אוניברסיטת קיימברידג '.

יישומים ופוטנציאל השוק

התכונות הייחודיות של יישומים פתוחים OPVs שבו לוחות סיליקון מסורתיים אינם מתאימים, או בשל משקל, קשיחות, מראה או מגבלות עלות. בעוד OPVs אינם צפויים להחליף סיליקון בהתקני שירות בקנה מידה גדול בטווח הקרוב, הם תופסים נישה הולכת וגדלה באינטגרציה, אלקטרוניקה צרכנית, ויישומים מיוחדים.

בנייה משולבת Photovoltaics

ניתן להשמיד את OPVs על גג קרום, המשולב בפני חזיתות זכוכית, או מודפס על טקסטיל אדריכלי.תוכנית Horizon 2020 של הוועדה האירופית מממנת כמה הפגנות בקנה מידה גדול של פיסות בניין OPV, מראה כי מערכות אלה יכולות לייצר כמויות משמעותיות של לכידת חשמל תוך שמירה על איכות אסתטית. Semi ⁇ OPV חלונות מציעים הבטחה מסוימת, שכן הם יכולים להפחית את העומסים על ידי גרימת קרינה אינפרא אדום בעודם שוק חשמלי יכול לגדול עם אנליסטים משמעותי של 30 מיליארד חשמל מלוכדים.

Indoor and Internet of Things Power

קצירת אור פנימית היא אחת האפליקציות המאוד רווחיות לטווח מסחרי של OPVs. תאים אורגניים ניתן לייעל כדי להתאים את ספקטרום של תאורה מלאכותית, השגת יעילות מעל 20% תחת תאורה פלורססנט או LED תאורה.זה הופך אותם אידיאליים עבור כוח חיישנים אלחוטיים, תרמו סטטינים חכמים, תוויות מדף אלקטרוניות, ומכשירים אחרים של IoT נמוך, ובכך מבטל את הצורך תחליף וצמצום סוללות אלקטרוניות.

אלקטרוניקה ולבוש

הגמישות והמשקל הנמוך של OPVs הופכים אותם למועמדים טבעיים לשילוב בבגדים, תרמילים, ומטענים ניידים.מודול OPV גמיש תפירהn לתוך מעיל יכול להטעין סמארטפון במהלך פעילויות בחוץ, בעוד פאנל קליר יכול לספק כוח חירום עבור קמפינג או הקלה אסון.הצבא הביע עניין ב OPVs עבור כוח אלקטרוניקה וחיישנים ניידים בפעילות שדה, שבו לוח קלוש קלוש יכול לספק כוח חירום עבור סוללות מאתגרת באופן לוגי.

יישומים חקלאיים וסביבתיים

אגריקוייקוס & #8212; המעבר המשותף של לוחות סולאריים עם יבולים ו- #8212;benefits מ- OPVs כי הקוצר שלהם מאפשר אור לעבור, המאפשר צמיחה צמחית מתחת. חוקרים הראו כי יבולים מסוימים גדלים היטב תחת OPVs כי מסנן סוללות גל ספציפי תוך המרת אחרים לחשמל.

רכב חשמלי ודנונוס

תעשיית הרכב בוחנת את OPVs לשילוב גגות רכב, hood, ופאנלים גוף לספק כוח עזר עבור בקרת אקלים, מערכות מידע, וטעינה סוללות. בעוד הכוח שנוצר הוא צנוע & #8212; באופן זמני עשרות עד מאות וואט בהתאם לאזור פני השטח של הרכב ו- #8212; זה יכול להגדיל משמעותית טווח נהיגה בתנאים עירוניים.

הדרך קדימה: כלכלה ומסחר

מסלול המסחר של OPVs תלוי בשיפורים מתמשכת ביעילות, יציבות, ועלויות הייצור. כמה חברות בקנה מידה הייצור לטייס או לרמות מסחריות מוקדמות, כולל Heliatec בגרמניה, InfinityPV בדנמרק, ניקולה טסלה טכנולוגיות בבריטניה. יצרנים אלה מכוונים יישומים ספציפיים ולא להתחרות ישירות עם סיליקון בשוק הנדל"ן.

מודלים כלכליים מציעים כי OPVs להיות תחרותי כאשר העלות המטבולית של חשמל נופל מתחת ל $010 עד $015 ל $ 0 קילווואט שעה עבור בנייה-מחדש יישומים. achieving זה דורש יעילות מודול מעל 12%, תקופות חיים מעל 10 שנים, ועלויות ייצור מתחת $ 30 ל וואט.

תמיכה מדיניות ומסגרות רגולטוריות יכולות להאיץ את אימוץ.מכסי מזון, קודי בנייה הדורשים על הדור באתר, ותוכניות הסמכה בנייה ירוקה שמגמלות אינטגרציה אנרגיה מתחדשת כל יוצרים משיכה בשוק עבור מוצרי OPV. בנוסף, תקנות אחריות מורחבות של יצרנים הדורשות הפחתה של פסולת אלקטרונית עשויות להגביר את השימוש בטכנולוגיות סולאריות קלות יותר, פחות רעילות.

במבט קדימה, OPVs עשוי לשחק תפקיד ביישומים בחלל, שבו כוח וסובלנות קרינה גבוהה שלהם הם יתרון. סוכנות החלל האירופית חקר מודולים OPV בתחנת החלל הבינלאומית, ותוצאות מצביעות על יציבות מבטיחה בתנאי הריק והקרינה של מסלול כדור הארץ נמוך.

מסקנה

פוטו-וולטאיקים אורגניים תופסים עמדה ייחודית בנוף האנרגיה המתחדשת.הם לא יחליפו לוחות סולאריים בתחנות כוח בקנה מידה גדול, ולא צריך שהם.כוחם נמצא ביישומים שבהם גמישות, משקל אור, שקיפות למחצה, וייצור זול הם יתרונות מכריעים.כפי שמדע החומרים מתקדם מרחיב את תוחלת החיים התפעולית ודוחף את היעילות לכיוון הגבולות התיאורטיים, OPVs הם מוכנים לשרת שווקים שלא יכולים לענות על פני אנרגיה סולארית, כדי להרחיב את התרומה הכוללת של אנרגיה סולארית.

ההתקדמות של העשור האחרון, המונעת בעיקר על ידי פיתוח של מקבלי לא-משרתים ואדריכלות משופרות של מכשירים, הייתה יוצאת דופן.אתגרים נשארים, במיוחד בהפגנת אמינות ארוכת טווח והשגת ייצור בקנה מידה גדול יעיל בקנה מידה גדול, אבל המסלול הוא חיובי בבירור.עם המשך ההשקעה במחקר ופיתוח, photovoltaics אורגני הם כנראה למצוא את מקומם לא כתחליף לטכנולוגיה סולארית קיימת, אלא כמו טכנולוגיה שמש המאפשרת מעבר אנרגיה גמישה, אשר יאפשרו, אשר יאפשרוכות אנרגיה מתחדשת, אשר יאפשרוכות בעבר, כגון, אשר יאפשרו, חומרים סולאריים, אשר יאפשרו, כגון צורות אנרגיה מתחדשת, אשר יאפשרו, אשר יאפשרו, אשר יאפשרו, כגון אלה, אשר יאפשרו, חומרים גמישים, חומרים סולאריים, כגון, חומרים סולאריים, אשר יאפשרו, חומרים אנרגיה מתחדשת, חומרים סולאריים, כגון אלה, כדי להשיג, כגון, חומרים סולאריים, אשר יאפשרו, כדי לבצע, אשר יאפשרו, חומרים סולאריים, כגון, חומרים סולאריים, אשר יאפשרו, כגון, חומרים גמישים, חומרים גמישים, כדי לבצע, כגון, כגון, חומרים סולאריים, כגון, כגון, כדי להשיג, כגון, אשר יאפשרו, אשר יאפשרו, חומרים סולאריים, כגון, כגון, חומרים